航空重力梯度测量飞行姿态影响及误差校正

在石油和金属矿勘探中,相对于重力异常数据,航空重力梯度数据含有更多的高频信号成分,能更好的描述小的异常特征。为了得到地下异常体的真实重力梯度数据,需要全张量梯度测量数据中有效地去除飞机自身梯度值的影响。针对这一影响,提出线性的校正方法。考虑飞行姿态的改变引起的空间坐标系的变化,在校正过程中给出旋转矩阵和张量转换矩阵来实现坐标系的统一。通过模型实验分析了自身梯度值随姿态角变化情况,用实际梯度数据计算证明了该方法能够减小几个E的姿态误差,有效提高数据的精度。     

全张量重力梯度数据误差分析及补偿

针对用于航空移动平台的高精度全张量重力梯度测量系统,深入研究了梯度仪12个加速度计按3个不同旋转轴圆盘形成差分组合的结构。在确认该结构具有有效抑制运动共模加速度、减少外界环境干扰、实现高精度探测优点的同时,着重分析了重力梯度仪测量误差的来源和影响。研究表明,主要影响包括仪器固有随机噪声和外界确定性噪声。为定量描述影响程度,推导了在航空动态环境下的测量方程,并分离出加速度计的性能不匹配、平台不稳定、圆盘转速不稳定3个主要固有因素,从时间域和频率域角度定量分析固有影响因素的噪声水平。试验分析表明,通过利用Simulink仿真系统可以获得固有因素产生的噪声水平,并提出抑制方案。针对搭载环境测量误差,还分析了实测飞行中姿态和质量的改变对重力梯度测量值造成的环境影响,提出了基于点质量源的自身梯度校正方法。     

利用实测重力垂直梯度反演长白山地区一剖面的深部构造

针对重力梯度高分辨率的特点,利用在长白山地区实测的重力垂直梯度数据,采用梯度空间参量图反演其深部构造。台阶模型试验表明: 重力梯度空间参量图能给出构造倾角和倾面的信息,结合重力梯度剖面和梯度空间参量图可以构建出地下构造的几何模型,进而对一些复杂构造进行解释。通过对比实测布格重力异常和实测重力梯度异常,重力梯度比重力异常的分辨率更高; 将梯度法应用到实测重力梯度数据的处理中,结果表明: 该方法对确定密度变化界面的水平位置和深度具有非常好的效果。     

一种旋转加速度计重力梯度仪重力梯度解调方法

采用高密度光栅编码器获取圆盘当前状态下的角位置信息,利用圆盘角位置信息作为重力梯度解调基准信号的初始相位角,对重力梯度仪输出信号进行重力梯度解调,分别解调出在每个圆盘旋转角位置处的重力梯度信息,然后对每一圈解调出的重力梯度信息进行求均值,最后对解调出的两组重力梯度信息分别进行平滑滤波处理。通过重力梯度半物理仿真系统进行梯度解调实验测试,实验结果表明,采用这种梯度解调方法,可以进一步提高重力梯度解调精度,具有较高的工程实用性。     

基于有限单元法的重力梯度张量正演计算与分析

由于重力梯度张量测量相对于重力异常测量有许多优点,因此对重力梯度的研究十分必要。在重力梯度各张量的正演计算中,复杂地质体的计算式难以直接推导,而利用有限元技术在复杂形体体积积分的优势,可以较为快速和简便地进行复杂模型的重力梯度全张量正演计算。通过模型的建立和正演计算,分析了球体模型梯度张量异常的平面和剖面特征,以及重力梯度张量与球体模型位置的规律;最后进一步利用复杂模型的重力梯度正演模拟,说明了重力梯度识别地下地质体位置的优势和不足。     

梯度法解释复杂二维断裂重力异常

对以往的二维断裂重力异常的梯度解释方法作了几点改进:①采用最小二乘拟合方法求取台阶倾角α;②直接利用台阶倾角与台阶的水平边界位置来计算台阶的埋深;③将重力二维梯度解释方法推广到复杂断裂模型的解释。文中详细论述了这种方法的原理, 给出了其具体实现步骤。该方法比起以往重力梯度解释方法, 应用更加简便而且解释结果更加稳定。用该法成功地解释了某油气盆地的实测重力资料。     

旋转加速度计重力梯度仪重力梯度信号仿真

在介绍旋转加速度计重力梯度仪仿真系统构成的基础上,依据旋转加速度计重力梯度仪测量原理,给出重力梯度信号仿真方法。信号仿真流程为:由计算机产生加速度计数字输出,经数模转换、模拟信号运算、放大、模数转换和数字解调,得到重力梯度数值。采用这种重力梯度信号仿真方法,可以详细研究旋转加速度计重力梯度仪的信号特征、参数调整、误差补偿以及信号处理方法,为重力梯度仪系统设计研发提供方法指导。     

航空重力梯度试验标度场的建立方法研究

航空重力梯度测量受飞行区气流及飞机加速度等因素的影响,需要选择异常较弱的高度进行补偿飞行。为评价梯度仪测量效果和确定补偿飞行高度,需要建立相应高度的标准梯度场作为参考。笔者研究了利用地面重力数据通过曲面延拓和梯度转换建立标度场的方法,并开展了模型验证。利用该方法建立了吉林—黑龙江某航空重力梯度试验区在精度试验飞行高度和拟补偿飞行高度处的标度场,并确定了拟补偿飞行高度选取的可行性。此外,笔者还将延拓转换建立的重力梯度场和起伏地形正演场进行了比较。结果表明,两种方法建立的标度场均可用于梯度仪的测量精度评价和补偿飞行高度的选择。     

基于深度学习的重力梯度事后误差补偿方法

旋转式重力梯度仪动态测量的误差补偿是航空重力梯度测量的关键技术。因深度学习直接提取数据特征,有望补偿以往通过建模难以补偿的误差,从而进一步提高误差补偿效果,笔者提出了基于深度学习的航空重力梯度测量事后误差补偿方法,利用航空试验实测数据建立数据集,搭建并训练由梯度仪运动参数映射到梯度仪输出噪声的神经网络,利用该网络预测梯度仪输出噪声,以此对其他实测数据进行误差补偿。结果表明,利用深度学习预测的梯度仪输出噪声与实际输出噪声非常接近,补偿后梯度仪输出噪声下降超过一个数量级,补偿的误差水平与梯度仪样机指标接近。     

利用重力梯度反演南海西南海盆深部构造

重力梯度异常反映的是重力异常的变化,其分辨率比重力异常高。重力梯度空间参量图能给出构造倾角和倾面的信息,结合重力梯度剖面和梯度空间参量图可以构建出地下构造的几何模型,进而对一些复杂构造进行解释。本文利用重力梯度异常对南海西南海盆进行了解释,得到大致以西南海盆北东向扩张轴为对称轴的穹隆状构造面。该构造面在西南海盆下6~15km处形成一个密度界面,此界面可能是西南海盆北西-南东向海底扩张期间地幔上隆所引起的。      

基于车载重力测量平台的城市地下空洞快速探测

为了解决现有静态重力测量在城市地下空洞探测时存在工作难度大、效率低等问题,本文提出了基于车载重力测量平台的城市地下空洞快速探测方法。采用国产高精度捷联式重力仪SAG搭建车载移动重力测量平台,在长春卫星广场附近进行动态重力测量试验。首先对测得数据进行楼房干扰校正;之后采用基于传统极值点深度估计(depth from extreme points,DEXP)方法改进的比值DEXP方法进行重力异常数据深度成像;最后采用Tilt梯度法对位场数据进行边界识别。选取轻轨站附近两条测线进行研究,得出测线在700～1 300m区域附近存在负值异常,在800和1 000m附近最佳深度分别是24和28m,构造指数分别为0.18和0.06;经分析符合实际地下轻轨站空洞类型和所在范围,验证了车载移动平台重力测量在城市地下空洞探测中展开的可能性和有效性。     

异构并行算法快速构建全球扰动重力梯度全张量图

扰动重力梯度是扰动重力位的二阶导数,相对于其他重力场元素能更多地反映变化的不规则地球产生的高频信息。在使用高阶次球谐系数模型获取大范围高分辨率的扰动重力梯度数据时,存在重复运算多、计算效率低下、耗时较长的问题。针对该问题,推导了简化计算公式,将中间变量提取出来作为全局参数和局部参数单独进行计算、存储,从而有效减少重复运算;并在简化公式的基础上,提出了扰动重力梯度张量快速异构并行算法,利用CUDA（compute unified device architecture）实现了梯度全张量在GPU端的并行计算。根据Txx、Tyy、Tzz三个分量满足Laplace条件验证了算法可靠性,并与传统串行算法进行了计算效率对比,实验结果表明,相较于串行算法,所提算法可减少90%以上计算耗时,可将计算效率提高60倍以上。最后利用该算法基于2 190阶EIGEN6C4模型快速构建了5′×5′分辨率的全球扰动重力梯度全张量图,计算结果显示了扰动重力梯度同地形、地球质量分布变化的相关性及其在全球范围内的数值特征。     

重力数据处理中几种断裂构造识别方法的组合应用

为了提高使用重力数据推断断裂构造的有效性,先以"田"字形小子域滤波法突出重力梯级带异常,再分别联合水平总梯度模、解析信号振幅及水平方向导数进行二次处理.通过理论模型试验,比较单方法及不同组合方法的处理效果,并将组合方法应用到金羊盆地实测重力数据的处理中,推断研究区的断裂构造格架.与地震剖面划分的断裂进行比对,证明了利用组合方法划分断裂构造的有效性.研究结果表明,已有断裂构造识别方法的组合应用能够更清晰地刻画地质体的边界,在应用重力数据推断断裂构造方面具有非常好的实用性.     

A Simple Algorithm for Sequentially Incorporating Gravity Observations in Seismic Traveltime Tomography

The geologic structure of the Earth's upper crust can be revealed by modeling variation in seismic arrival times and in potential field measurements. We demonstrate a simple method for sequentially satisfying seismic traveltime and observed gravity residuals in an iterative 3-D inversion. The algorithm is portable to any seismic analysis method that uses a gridded representation of velocity structure. Our technique calculates the gravity anomaly resulting from a velocity model by converting to density with Gardner's rule. The residual between calculated and observed gravity is minimized by weighted adjustments to the model velocity-depth gradient where the gradient is steepest and where seismic coverage is least. The adjustments are scaled by the sign and magnitude of the gravity residuals, and a smoothing step is performed to minimize vertical streaking. The adjusted model is then used as a starting model in the next seismic traveltime iteration. The process is repeated until one velocity model can simultaneously satisfy both the gravity anomaly and seismic traveltime observations within acceptable misfits. We test our algorithm with data gathered in the Puget Lowland of Washington state, USA (Seismic Hazards Investigation in Puget Sound [SHIPS] experiment). We perform resolution tests with synthetic traveltime and gravity observations calculated with a checkerboard velocity model using the SHIPS experiment geometry, and show that the addition of gravity significantly enhances resolution. We calculate a new velocity model for the region using SHIPS traveltimes and observed gravity, and show examples where correlation between surface geology and modeled subsurface velocity structure is enhanced.     

基于经验模态分解的重力异常分离

根据重力异常水平梯度特性,建立了基于经验模态分解的新型重力异常分离方法。通过不同模型实验对比,发现该方法分离所得异常和模型理论异常能很好地吻合,可进行异常定量划分。实测数据处理中,将该方法与平均对数功率谱分析相结合,所分离出的区域异常可以有效描述研究区的区域地质特征。模型试验和实测数据处理都充分表明该方法所分离出的重力异常基本没有畸变和虚假信息产生,具有良好的实际应用价值。     

碎石土滑坡稳定性一元多重属性回归模型分析

为了能在地质勘查和试验的基础上对碎石土滑坡稳定性进行评价,构建了一元多重属性回归模型。基于官家滑坡的14个工程地质剖面的实测资料,选取滑体重量、滑面倾角、滑面长度、水力坡度、浸水面积、内聚力、内摩擦角7个影响因素,采用模型对影响因素和稳定性系数进行回归分析和影响因素显著性研究,得到计算稳定性系数的回归方程,并利用新昌下山滑坡进行模型准确性验证。研究结果表明：根据模型建立的线性回归方程回归性显著,能够用模型对滑坡进行稳定性计算分析;通过模型得出对稳定性系数有显著性影响的因素,综合滑坡实际地质状况确定地下水对稳定性有显著的影响,有助于开展滑坡灾害预警预报工作和采取有效的工程治理措施;新昌下山滑坡介于稳定与较不稳定状态之间,在降雨量比较大的时段应加强监测。     

Regional gravity analysis of the crustal structure of Tunisia

Gravity data were integrated with seismic refraction/reflection data, well data and geological investigations to determine a general crustal structure of Tunisia. The gravity data analysis included the construction of a complete Bouguer gravity anomaly map, residual gravity anomaly maps, horizontal gravity gradient maps and a 2.5-D gravity model. Residual gravity anomaly maps illustrate crustal anomalies associated with various structural domains within Tunisia including the Sahel Block, Saharian Flexure, Erg Oriental Basin, Algerian Anticlinorium, Gafsa Trough, Tunisian Trough, Kasserine Platform and the Tell Mountains. Gravity anomalies associated with these features are interpreted to be caused either by thickening or thinning of Palæozoic and younger sediments or by crustal thinning. Analysis of the residual gravity anomaly and horizontal gravity gradient maps also determined a number of anomalies that may be associated with previously unknown structures. A north-south trending gravity model in general indicated similar subsurface bodies as a coincident seismic model. However, thinner Mesozoic sediments within the Tunisian Trough, thinner Palæozoic sediments in the Gafsa Trough, and a greater offset on the Saharian Flexure were required by the gravity data. Additionally, basement uplifts under the Kasserine Platform and Gafsa Trough, not imaged by seismic data, were required by the gravity data. The gravity model revealed two previously unknown basins north and south of the Algerian Anticlinorium (5 km), while the Erg Oriental Basin is composed of at least two sub-basins, each with a depth of 5 km.